陶娟琴,陶洪飛*,李巧,劉姚,張慧,馬合木江·艾合買提,姜有為,楊文新
單翼迷宮式滴灌帶進出水口數、梯形流道齒數對抗堵塞性能的影響
陶娟琴1,2,陶洪飛1,2*,李巧1,2,劉姚1,2,張慧1,2,馬合木江·艾合買提1,2,姜有為1,2,楊文新1,2
(1.新疆農業大學 水利與土木工程學院,烏魯木齊 830052;2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室,烏魯木齊 830052)
【目的】研究進水口數、梯形流道齒數、出水口數對單翼迷宮式滴灌帶抗堵塞性能的影響。【方法】采用物理試驗、數值模擬、建立線性數學模型等方法,設計9組工況進行數值模擬,研究額定流量為1.8 L/h的單翼迷宮式滴灌帶的水沙兩相流流場,以及滴灌帶不同進出水口數、梯形流道齒數對流態指數、流量系數的影響。【結果】SST兩方程低雷諾數紊流模型更加適用于單翼迷宮式滴灌帶流場的數值模擬;從進水口到梯形流道再到出水口,泥沙顆粒質量濃度逐漸變小;滴灌帶第5進水口為主要進水口,第3出水口為主要出水口;進水口數、梯形流道齒數、出水口數對流態指數影響極小,對流量系數的影響顯著性排序為梯形流道齒數>出水口數>進水口數;構建了流量系數與三因素之間的多元線性模型,該模型決定系數為0.987,精度較好。【結論】在梯形迷宮流道尺寸相同時,梯形流道齒數越少流道內部流速越大,更有利于泥沙顆粒排出流道。構建的流量系數與三因素的公式可實現出水口位置精準灌溉植物,合理利用土地資源。
單翼迷宮式滴灌帶;SST紊流模型;水沙兩相流;進水口數;梯形流道齒數;出水口數
【研究意義】壓力補償灌水器水力性能好,但結構復雜造價高,因而大多灌水器都采用迷宮式流道,其中單翼迷宮式滴灌帶被廣泛應用[1]。單翼迷宮式滴灌帶流道結構的優劣對滴灌系統的抗堵塞性能和壽命影響很大,研究進出水口和梯形流道結構的流動機理和優化流道結構是提升滴灌系統水力性能的關鍵之一[2]。
【研究進展】諸多紊流模型被應用于計算灌水器流場,如Wei等[3]應用標準模型計算貼片式和單翼迷宮式灌水器流場,Wei等[4]應用Renormalization Group(RNG)模型計算貼片式灌水器流場,Chen等[5]應用Shear Stress Transport(SST)模型計算壓力補償式灌水器流場,Palau-salvador等[6]應用Laminar 模型計算圓柱形灌水器流場,Zhang等[7]應用雷諾應力模型計算貼片式灌水器流場,Wu等[8]應用Large Eddy Simulation(LES)模型計算圓柱形灌水器流場等。張傳杰等[9]、唐雪林等[10]應用標準模型對梯形迷宮流道8個流道單元進行數值模擬,研究流場的變化規律。謝巧麗等[11]以內鑲貼片式滴灌帶為研究對象,應用RNG紊流模型對進口結構數值模擬,分析進口數目、進口寬度、進口高度和緩水區深度對滴頭水力性能的影響。郭霖等[12]在眾多紊流模型中證明SST紊流模型更適用于計算雙向對沖流灌水器流場,并應用該紊流模型計算灌水器流量和流道內各點的流速。影響單翼迷宮式滴灌帶水力性能的因素很多,如流道轉角、流道寬度、流道深度、齒參差值、齒高、齒數、齒間距、齒底距、齒型等[13]。吳爭光等[14]認為影響流量的因素為流道深度、流道寬度、流道轉角。胡宇祥等[15]認為影響流態指數的因素為齒參差值、齒高、齒數、流道轉角、齒間距。謝巧麗等[16]認為流量系數隨流道轉角和齒間距的增大而增大,流態指數隨著齒間距的增大呈先減小后增大的趨勢。馬曉鵬等[17]以4種單翼速宮滴灌帶為研究對象,分析不同壓力和梯形流道單元數量對滴灌帶水力和抗堵塞性能的影響,發現抗堵塞性能會隨梯形流道單元數的減少而提高。Tao等[18]、張慧等[19]對額定流量為1.8 L/h的單翼迷宮式滴灌帶運行壓力、鋪設坡度、鋪設長度、含沙量、化肥質量濃度5個因素進行研究,評價運行方式對滴灌帶抗堵塞性能的影響。
【切入點】國內外諸多研究學者在數值模擬選取紊流模型時存在差異,主要是由于數值模擬流道型式不盡相同,也忽略了圓管流道、進水口及出水口對流場帶來的影響,有必要選取適用于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型對1個完整的滴灌帶流道單元進行數值模擬研究。關于進水口數、梯形流道齒數、出水口數對抗堵塞性能影響的研究鮮見。
【擬解決的關鍵問題】為此,本研究選取適用于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型對進水口數、梯形流道齒數和出水口數3個因素的9組工況進行數值模擬,研究3個因素對流態指數、流量系數的影響,為單翼迷宮式滴灌帶流道參數優化設計提供參考依據。
滴灌帶(管)抗堵塞性能測試平臺試驗裝置示意圖見圖1,本套滴灌帶抗堵塞性能試驗臺型號為KD-DJC,由河北可道試驗機科技有限公司制造,系統適用電壓380 V。

注 1-主控柜;2-閘閥;3-水箱;4-計算機;5-供水管;6-壓力表;7-流量測試平臺;8-滴灌帶
滴灌帶測試平臺長度為35 m,試驗時滴灌帶鋪設35 m,共鋪設3條滴灌帶,每條滴灌帶放置25個集水桶,總共放置75個集水桶。滴頭流量采用稱質量法,使用的電子天平型號為YP2002N,由上海菁海儀器有限公司制造,最大量程2 000 g,精度值0.01 g。每次測量時間為15 min,測量3次,取平均值。
本研究對1個單翼迷宮式滴灌帶單元進行數值模擬分析,其結構參數由高清拍照技術和AutoCAD技術相結合的方式測量,物理模型結構由ANSYS 19.0 DM軟件建立,單翼迷宮式滴灌帶物理模型及尺寸見圖2,進水口數為5口、梯形流道齒數為85齒、出水口為3口,流道深1 mm。

圖2 單翼迷宮式滴灌帶物理模型及尺寸
在ANSYS 19.0 Fluent軟件中進行數值模擬,梯形迷宮流道內水流運動可被視為不可壓縮流體的運動范疇。設定圓管流道處進口邊界條件為壓力進口,出水口處出口邊界條件為壓力出口,其他固體邊界均采用標準無滑移固壁邊界條件。梯形單元內部會產生渦流運動[20],因此對各種紊流模型的精度逐一進行對比分析,選擇適于單翼迷宮式滴灌帶的紊流模型是十分必要的。Eddy-viscosity models對流線曲率不敏感,為使Standard Eddy-Viscosity Models對流線曲率的影響敏感,需對渦流產生項進行修正,以及對紊流模型的曲率修正。Standard Two-Equation Turbulence Models的缺點是在停滯點附近會過多地產生湍流能量,為了避免在停滯區域形成湍動能,使用兩方程模型生產限制器來限制湍流動能方程的產生項。為提高數值模擬計算精度,對流項等參數采用二階迎風格式,速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法求解,殘差收斂精度為10-4。渾水條件下懸浮顆粒質量濃度為1 g/L(泥沙顆粒體積分數設置為0.057 9%),顆粒密度為1 725.9 kg/m3,顆粒粒徑設定為級配分級中間值0.056 8 mm。
采用流量-壓力關系對單翼迷宮式滴灌帶模型進行評價,計算式為[21]:

式中:為流量(L/h);為流量系數;為壓力(kPa);為流態指數。
在ANSYS 19.0 Mesh軟件中進行網格單元劃分,采用非結構四面體混合型網格。為增加Mesh軟件和Fluent軟件的運行速度,將滴灌帶單元分為圓管流道和梯形迷宮流道進行網格劃分。SST模型被諸多學者用于計算迷宮灌水器流場,因此驗證網格無關性時采用該模型[11]。本研究設定進口邊界條件為壓力進口,相對壓力為100 kPa,出口邊界條件為壓力出口,相對壓力為0,網格無關性驗證見表1。第6~第10組網格尺寸的加密對出口流量的影響變幅不大,與實際流量誤差范圍在5.655%內;而當圓管流道網格尺寸為2 mm,梯形迷宮流道網格尺寸為0.2 mm時,模擬流量值(1.902 L/h)與實際流量值(1.892 L/h)比較誤差最小,為0.529%;網格數量越多計算機運行速度越慢(計算機性能:二核四線程),第9組和第10組流量差距為0.003。為減少計算量,最后網格數量確認為300 182,單翼迷宮式滴灌帶整體及局部網格見圖3。

表1 網格無關性驗證
注 小流道包括進水口、梯形迷宮流道、出水口。
為探究單翼迷宮式滴灌帶低壓小流量技術,本研究設計進水口壓力為20、40、60、80、100 kPa。使用滴灌帶(管)抗堵塞性能測試平臺進行壓力-流量物理試驗,進水口壓力為20、40、60、80、100 kPa對應的出水口流量分別為0.847、1.211、1.477、1.664、1.892 L/h。

圖3 單翼迷宮式滴灌帶整體及局部網格圖
本研究主要采用ANSYS 19.0 Fluent軟件進行壓力-流量數值模擬,仿真模型選用Laminar模型,Spalart-Allmaras(S-A)為單方程模型,Scalable wall Function(SWF)RNG、Enhanced wall Functions(EWF)RNG、Menter-Lechner(M-L)RNG為兩方程模型,Standard、BaseLine、SST為兩方程模型,試驗與仿真對比結果見表2。仿真模型模擬誤差排序為模型>Laminar模型>RNG模型,SST低雷諾數紊流模型更接近物理試驗值,說明單翼迷宮式滴灌帶內水流流動屬于低雷諾數紊流。模型中精度排序為SST模型>BaseLine模型>Standard模型,3個模型的區別BaseLine模型是在Standard的基礎上使用近壁面的混合函數進行修正,而SST模型更進一步引入另一個湍流黏度限制的混合函數,可知在單翼迷宮式滴灌帶的模擬中需要對近壁區和湍流黏度進行修正。M-L RNG模型應用一種低雷諾數公式,因此EWF RNG模型、SWF RNG模型模擬精度高。SWF RNG兩方程模型模擬精度較差,誤差在-19.225%以上;BaseLine、SST兩方程模型模擬精度較優,誤差在±5.007%以內,2種紊流模型在進水口壓力為20、40、60、80 kPa時模擬結果一致,而在進水口壓力為100 kPa時SST兩方程模型流量值與單翼迷宮式滴灌帶實際流量更吻合,眾多紊流模型中SST兩方程紊流模型更適用于單翼迷宮式滴灌帶數值模擬。

表2 試驗與仿真對比結果
為研究單翼迷宮式滴灌帶進水口和梯形流道的水沙兩相流流動狀態,應用SST紊流模型及歐拉-歐拉兩相流模型對單翼迷宮式滴灌帶進行渾水條件的仿真,分別計算在運行壓力為50、100、150 kPa,時間為36、72、108、144、180 s的流場。滴灌帶在運行壓力為50、150 kPa的不同時間的流量無變化,分別為1.497、2.454 L/h;而運行壓力為100 kPa在時間為144~180 s時流量由2.040 L/h下降到2.039 L/h,流量下降率為0.035%。時間為36、72、108、144、180 s,滴灌帶運行壓力為50、100、150 kPa下的流量變化不明顯,取36 s時流量做仿真流量對比分析發現,模擬流量與實際流量對比誤差在10.958%以下,仿真效果較好。
運行壓力為150 kPa時,清水和渾水流速與流線疊加見圖4。清水條件下環繞的流線多出現在青色以下區域,對應的流速為0.6 m/s以下區域;渾水條件下環繞的流線出現在淺藍色以下區域,流速為0.4 m/s以下區域。渾水條件下低速區流線環繞比清水條件下復雜,漩渦分布范圍越大代表水流在此處停留時間越長,渾水條件下易積累泥沙造成堵塞。清水條件下低速區的面積比渾水條件下的大,渾水條件下高速區的面積比清水條件下的大。渾水條件下主流區的水流流動弧度大于清水條件下的,這是由于渾水條件梯形流道拐角處的慣性力大于清水條件梯形流動拐角處的慣性力,致使清水水流較渾水水流平緩。

圖4 清水和渾水流速與流線疊加圖
運行壓力為150 kPa、時間為180 s時,泥沙顆粒及流線分布規律見圖5。圖5(a)中紅色區域代表泥沙顆粒的體積分數(泥沙顆粒與水的體積之比)>0.057 9%,相當于泥沙顆粒質量濃度>1 g/L,即泥沙顆粒在圓管底部沉積質量濃度>1 g/L。大部分泥沙顆粒將沉積在圓管流道底部,圓管后段藍色區域和梯形流道部分藍色區域代表體積分數<0.005 79%,相當于泥沙顆粒質量濃度<0.1 g/L,即泥沙顆粒在圓管后段上部和梯形流道內沉積質量濃度<0.1 g/L。圓管進口處泥沙顆粒質量濃度梯度分布明顯,底部流線旋滾不一。圖5(b)中紅色區域代表泥沙顆粒體積分數>0.000 579%,相當于泥沙顆粒質量濃度>0.01 g/L,即泥沙顆粒在進水口處和梯形流道前部沉積質量濃度?0.01 g/L,從進水口到梯形流道再到出水口,泥沙顆粒質量濃度逐漸變小,泥沙顆粒沉積在梯形流道內,出水口只有極少區域的泥沙顆粒質量濃度>0.01 g/L。

圖5 泥沙顆粒及流線分布規律
圖5(a)中梯形流道主流區流線主要來源為第5進水口,第5進水口為主要進水口,流量主要集中在靠近迷宮流道的進水口;圖5(b)中主流區流線流往第3出水口,第3出水口為主要出水口。因此為探究進水口數、梯形迷宮流道齒數、出水口數與流量的關系,在單翼迷宮式滴灌帶模型進水口、梯形流道、出水口尺寸不變的基礎上,設計9組均勻正交工況進行數值模擬。
按9組均勻正交試驗進行數值模擬,進水口數、梯形流道齒數、出水口數數值模擬結果見表3。流態指數波動幅度為1.367%,進水口數、梯形流道齒數和出水口數的變化不會造成流態指數較大波動。流量系數波動幅度為12.698%,不同進水口數、梯形流道齒數和出水口數下的出口流量差別較大。

表3 進水口數、梯形流道齒數、出水口數數值模擬結果
本研究使用SPSS 26.0軟件建立進水口數、梯形流道齒數、出水口數與流量系數的多元線性關系(式(2)),決定系數2為0.987,精度較好。
首先確定進水口數、梯形流道齒數、出水口數,根據式(2)得流量系數,再根據式(1)推求流量。如當出水口間距為20 cm時,根據圖6可設計進水口數為3口、出水口數為3口,確定梯形流道齒數為60齒,流態指數取0.439,由式(2)計算得為0.276,因此運行壓力為100 kPa時流量為2.083 L/h。當已知作物最優需水量時,根據滴灌帶流量確定作物灌溉時長。這種方法對出水口間距進行控制,實現精準灌溉,合理利用土地資源,提高作物產量。
=0.355 6-0.000 3-0.001 4+0.001 7, (2)
式中:為流量系數;為進水口數;為梯形流道齒數;為出水口數。
對進水口數、梯形流道齒數和出水口數進行分析,因素水平均值見圖6,梯形流道齒數對流量系數影響最顯著,與流量系數負相關;出水口數與流量系數正相關;在數值模擬因素水平范圍內,流量系數較優的組合是進水口為3口、梯形流道齒數為65齒、出水口數為3口。

圖6 因素水平均值
對計算得到的流量系數進行方差分析,進水口數、梯形流道齒數、出水口數的方差分析結果見表4。進水口數和出水口數對流量系數影響不顯著,梯形流道齒數影響極顯著。流量系數影響因素顯著性排序為梯形流道齒數()>出水口數()>進水口數()。單純增減進水口和出水口數目,流量變化不大。

表4 流量系數方差分析
注 *表示在<0.05水平差異顯著;**表示在<0.01水平差異極顯著。
結合方差分析結果,最終選取進水口數-梯形流道齒數-出水口數為3-65-3、1-75-3、5-85-3的組合梯形流道中部進行分析,不同進水口數和梯形流道齒數流速與流線疊加見圖7。在運行壓力為20、40、60、80、100 kPa情況下,3種型式滴灌帶流速排序均為3-65-3型>1-75-3型>5-85-3型,在此只對運行壓力為100 kPa流速及流線進行分析。流線在主流區呈波浪狀前進,由圖7可知,主流區水流流速大于近壁區,中部轉角處流速均偏大,上轉角和下轉角會產生渦流。梯形流道齒數越少,流道內部流速越大,更有利于泥沙顆粒排出流道。

圖7 不同進水口數和梯形流道齒數流速與流線疊加圖
RNG、模型對于以渦流為主的流動問題模擬精度較高,但RNG模型受渦流黏性各向同性假設限制更適合于計算雷諾數較高的流動問題,模型適合計算雷諾數偏低的流動問題。對于模型,通常使用Enhanced wall Functions或Menter-Lechner;如果壁面函數與方程相似,用Scalable wall Function。Menter-Lechner函數利用一種新的低雷諾數公式,避免了湍流雷諾數劃分流態的一些缺點(湍動能值極低的區域可能容易產生?200的湍流雷諾數)[12]。Spalart-Allmaras模型不再使用湍動能和湍流耗散率計算渦黏性系數,而是直接導出渦黏性系數的輸運方程,更適合平均流場中有劇烈變化的湍流。單翼迷宮式滴灌帶仿真模擬中SST低雷諾數紊流模型更接近物理試驗值,說明單翼迷宮式滴灌帶內水流流動屬于低雷諾數紊流,Aitmouheb等[22]、Demir等[23]研究也證明,迷宮通道內的流動具有相當低的雷諾數。SST可以更進一步引入另一個湍流黏度限制的混合函數,對近壁區和湍流黏度進行修正。
單翼迷宮式滴灌帶流道內湍動能隨著壓力的增加而增加,但湍動能均較小,是由于流道尺寸小不具有很強的擴散性和耗散性,迎水區湍動能較大,并隨著壓力的增加而增加[24]。迎水區湍動能會隨著壓力的增加而增加,水流在梯形流道內紊動較低。
低速漩渦區易積累泥沙造成堵塞,設計滴灌帶結構時應盡量減少低速漩渦區,鄭超[25]、劉春景[26]式滴灌帶流道內泥沙顆粒質量濃度較大的位置是圓管流道底部緩水區、進水口及梯形流道近壁區。每次灌水前后應當對滴灌帶進行沖沙處理,防止堵塞梯形流道不易沖出,這樣避免了再次灌溉時流量極不均勻的情況。
單翼迷宮式滴灌帶第5進水口為主要進水口,流量主要集中在靠近迷宮流道的進水口,這與文獻[11]研究結果一致,單翼迷宮式滴灌帶渦流發生在流道低速區,在梯形流道上轉角和下轉角處易形成大小不一的漩渦,在渦流區分布范圍越大代表水流停留時間越長,在此處易積累泥沙造成堵塞;此結論與文獻[20]研究結果一致,渦流增強流道內水流的湍動強度,提高水力性能,但同時增加了堵塞風險。梯形流道齒數越少,流道內部流速越大,更有利于泥沙顆粒排出流道,可減少泥沙在流道內部形成堵塞,因此在梯形迷宮流道尺寸相同時應優先選用齒數較少滴灌帶進行農業灌溉。文獻[17]也同樣證明了單翼迷宮滴灌帶在梯形迷宮流道尺寸相同的情況下,抗堵塞性能會隨著梯形流道單元數的減少而提高。隨著流道單元數的增加消能效果越好[27],但不利于懸浮顆粒的排出,會更容易發生物理堵塞、化學堵塞、生物堵塞和復合堵塞。
本研究的不足在于只研究30 cm的1個單翼迷宮式滴灌帶單元,忽略了長度上沿程水頭損失帶來的壓力影響;未對單翼迷宮式滴灌帶進水口、梯形流道、出水口尺寸進行研究。今后將從單翼迷宮式滴灌帶進出水口、梯形流道尺寸對抗堵塞性能的影響開展研究工作。
1)SST兩方程紊流模型更加適用于單翼迷宮式滴灌帶的數值模擬。仿真模擬精度表現為>Laminar>RNG,單翼迷宮式滴灌帶的流動屬于低雷諾數紊流,主流區湍動能較大。
2)大部分泥沙顆粒將沉積在圓管流道底部,少量泥沙顆粒會通過進水口到梯形流道并沉積,只有極少泥沙顆粒會到達出水口。
3)進水口數、梯形流道齒數、出水口數對流態指數影響極小,對流量系數的影響顯著性表現為梯形流道齒數>出水口數>進水口數;確定進水口數、梯形流道齒數、出水口數后,可根據=0.355 6-0.000 3-0.001 4+0.001 7計算流量系數,以此得到單翼迷宮式滴灌帶流量,再確定灌水時長,實現對植物的精準灌溉;在梯形迷宮流道尺寸相同時,應優先選用齒數較少滴灌帶進行農業灌溉。
(作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突)
[1] 顧烈烽. 滴灌工程設計圖集[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.
[2] 李云開, 楊培嶺, 任樹梅. 滴灌灌水器流道設計理論研究若干問題的綜述[J]. 農業機械學報, 2006, 37(2): 145-149.
LI Yunkai, YANG Peiling, REN Shumei. General review on several fundamental points of design theory about flow path in drip irrigation emitters[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(2): 145-149.
[3] WEI Q S, SHI Y S, DONG W C, et al. Study on hydraulic performance of drip emitters by computational fluid dynamics[J]. Agricultural Water Management, 2006, 84(1): 130-136.
[4] WEI Z Y, CAO M, LIU X, et al. Flow behaviour analysis and experimental investigation for emitter micro-channels[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2012, 25(4): 729-737.
[5] CHEN X L, WEI Z Y, MA C, et al. Flow characteristics and diaphragm deformation of pressure-compensating drip irrigation emitters[J]. Irrigation and Drainage, 2021, 70(5): 996-1 009.
[6] PALAU-SALVADOR G, SANCHIS L H, GONZáLEZ-ALTOZANO P, et al. Real local losses estimation for on-line emitters using empirical and numerical procedures[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2006, 132(6): 522-530.
[7] ZHANG J, ZHAO W H, TANG Y P, et al. Numerical investigation of the clogging mechanism in labyrinth channel of the emitter[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2007, 70(13): 1 598-1 612.
[8] WU D, LI Y K, LIU H S, et al. Simulation of the flow characteristics of a drip irrigation emitter with large eddy methods[J]. Mathematical and Computer Modelling, 2013, 58(3/4): 497-506.
[9] 張傳杰, 牛勇, 劉逍航. 齒間角對迷宮灌水器水力特性影響的數值模擬[J]. 排灌機械工程學報, 2022, 40(7): 751-756.
ZHANG Chuanjie, NIU Yong, LIU Xiaohang. Numerical simulation of influence of tooth angle on hydraulic characteristics of labyrinth emitter[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2022, 40(7): 751-756.
[10] 唐學林, 趙旭紅, 李云開, 等. 迷宮流道滴頭內流場和顆粒運動的不同湍流模型數值模擬[J]. 農業工程學報, 2018, 34(16): 120-128.
TANG Xuelin, ZHAO Xuhong, LI Yunkai, et al. Numerical simulation of flow fields and particle movement characteristics in labyrinth channel emitter using different turbulence models[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2018, 34(16): 120-128.
[11] 謝巧麗, 牛文全, 李連忠. 進口結構對迷宮流道滴頭性能影響的模擬研究[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版), 2015, 43(1): 206-212.
XIE Qiaoli, NIU Wenquan, LI Lianzhong. Influence of inlets on performance of labyrinth channels emitter[J]. Journal of Northwest A & F University (Natural Science Edition), 2015, 43(1): 206-212.
[12] 郭霖, 白丹, 王新端, 等. 雙向對沖流滴灌灌水器水力性能與消能效果[J]. 農業工程學報, 2016, 32(17): 77-82.
GUO Lin, BAI Dan, WANG Xinduan, et al. Hydraulic performance and energy dissipation effect of two-ways mixed flow emitter in drip irrigation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(17): 77-82.
[13] 呂敏. 齒形迷宮流道結構滴頭的設計方法[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2019.
LYU Min. Design method of drippers with labyrinth runner structure in tooth shape[D].Yangling: Northwest A & F University, 2019.
[14] 吳爭光, 李泰來, 楊琳. 銳角轉折式滴灌帶流道水力性能研究[J]. 灌溉排水學報, 2020, 39(S2): 72-75.
WU Zhengguang, LI Tailai, YANG Lin. Study on hydraulic performance of flow channel in acute angle turning drip tape[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(S2): 72-75.
[15] 胡宇祥, 彭軍志, 殷飛, 等. 基于MATLAB與COMSOL聯合仿真的梯形迷宮滴頭流道優化[J]. 農業工程學報, 2020, 36(22): 158-164.
HU Yuxiang, PENG Junzhi, YIN Fei, et al. Optimization of trapezoidal labyrinth emitter channel based on MATLAB and COMSOL co-simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(22): 158-164.
[16] 謝巧麗, 牛文全, 李連忠. 迷宮流道齒轉角與齒間距對滴頭性能的影響[J]. 排灌機械工程學報, 2013, 31(5): 449-455.
XIE Qiaoli, NIU Wenquan, LI Lianzhong. Effect of tooth angle and pitch of labyrinth channel on performance of emitter[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2013, 31(5): 449-455.
[17] 馬曉鵬, 王新勇, 劉國宏, 等. 單翼迷宮式滴灌帶工作性能試驗與數值模擬[J]. 灌溉排水學報, 2015, 34(S1): 88-91.
MA Xiaopeng, WANG Xinyong, LIU Guohong, et al. Experiment and numerical simulation of the hydraulic performance of drip tape[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2015, 34(S1): 88-91.
[18] TAO Hongfei, TAO Juanqin, LI Qiao, et al. Average relative flow of single-wing labyrinth drip irrigation tape based on projection pursuit regression[J]. Scientific Reports, 2022, 12(1): 8 543.
[19] 張慧, 陶洪飛, 如蘇力·努爾, 等. 單翼迷宮式滴灌帶的關鍵參數與灌水均勻度的響應關系[J]. 節水灌溉, 2021(4): 98-103.
ZHANG Hui, TAO Hongfei, RUSUL Nur, et al. Response relationship between key parameters of single-wing labyrinth drip irrigation belt and irrigation uniformity[J]. Water Saving Irrigation, 2021(4): 98-103.
[20] 馬炎超. 渦漩對迷宮流道灌水器水流流態的數值影響分析[J]. 節水灌溉, 2021(3): 73-78.
MA Yanchao. Numerical analysis of the effect of vortex on flow pattern of emitter with labyrinth flow channel[J]. Water Saving Irrigation, 2021(3): 73-78.
[21] 劉春景, 唐敦兵, 鄭加強, 等. 滴灌梯形迷宮滴頭流道水力性能的響應曲面法優化[J]. 農業工程學報, 2011, 27(2): 46-51.
LIU Chunjing, TANG Dunbing, ZHENG Jiaqiang, et al. Optimization of hydraulic performance for drip irrigation trapezoidal labyrinth channel of emitter using response surface methodology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2011, 27(2): 46-51.
[22] AIT-MOUHEB N, SCHILLINGS J, AL-MUHAMMAD J, et al. Impact of hydrodynamics on clay particle deposition and biofilm development in a labyrinth-channel dripper[J]. Irrigation Science, 2019, 37(1): 1-10.
[23] DEM?R V, YüRDEM H, YAZGI A, et al. Determination of the hydraulic properties of a flat type drip emitter using computational fluid dynamics[J]. Journal of Agricultural Sciences, 2020, 26(1): 226-235.
[24] YANG B, WANG J D, ZHANG Y Q, et al. Anti-clogging performance optimization for dentiform labyrinth emitters[J]. Irrigation Science, 2020, 38(3): 275-285.
[25] 鄭超. 動態水壓下迷宮流道內水沙運動特性研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2018.
ZHENG Chao. Study on movement characteristics of water and solid particle in labyrinth channel under dynamic water pressure[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2018.
[26] 劉春景. 基于CAD/CFD的滴灌滴頭流場動力學分析與結構優化[D]. 南京: 南京林業大學, 2009.
LIU Chunjing. Dynamical analysis and structural optimization of drip irrigation emitter based on CAD/CFD[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2009.
[27] 劉潔, 魏青松, 史玉升, 等. 滴灌灌水器復雜流道局部阻力特征的試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2011(6): 55-59, 62.
LIU Jie, WEI Qingsong, SHI Yusheng, et al. Experimental research on local resistance characteristics of drip irrigation emitters with complex flow channel[J]. China Rural Water and Hydropower, 2011(6): 55-59, 62.
Effects of the Number of Inlet and Outlet Ports and Trapezoidal Channel Teeth on Anti-clogging Performance of a Single-wing Labyrinth Drip Irrigation Belt
TAO Juanqin1,2, TAO Hongfei1,2*, LI Qiao1,2, LIU Yao1,2, ZHANG Hui1,2, MAHEMUJIANG·Aihemat1,2, JIANG Youwei1,2, YANG Wenxin1,2
(1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China;2. Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety and Water Disaster Prevention, Urumqi 830052, China)
【Objective】This paper is to study the effects of the number of water inlets, the number of teeth of the trapezoidal flow channel and the number of outlets on the anti-clogging performance of the single-wing labyrinth drip irrigation belt. We designed nine groups of working conditions for numerical simulation.【Method】Physical experiments, numerical simulations, linear mathematical models were used to study water and sand flow in a single-wing labyrinth drip irrigation belt when the flow rate was 1.8 L/h, as well as the influence of different inlet and outlet numbers and trapezoidal flow channel teeth on the flow index and flow coefficient of the drip irrigation belt.【Result】The SSTtwo-equation for low Reynolds number turbulence model is more suitable for numerical simulation of flow field in the single-wing labyrinth drip irrigation belt. From the inlet to the trapezoidal channel and then to the outlet, the mass concentration of sediment particles gradually decreases; the fifth water inlet of drip irrigation belt is the main water inlet, and the third water outlet is the main water outlet; the number of water inlets, trapezoidal channel teeth, and the number of water outlets have a minimal impact on flow regime index; the their impact on the flow coefficient is ranked in the order of trapezoidal channel teeth>number of water outlets>number of water inlets;a multivariate linear model between the flow coefficient and the three factors was constructed, with a decision coefficient being 0.987.【Conclusion】When the size of the trapezoidal labyrinth flow path is the same, the smaller the number of teeth in the trapezoidal flow path was, the greater the internal flow velocity in the flow path would be. This facilitates discharge of sediment particles from the flow path. The constructed flow coefficient and three factor formula can achieve accurate irrigation at the outlet location, making reasonable use of land resources.
single-wing labyrinth drip irrigation belt; SSTturbulence model; the two-phase flow of water and sand; number of water inlets; trapezoidal channel teeth; number of water outlets
1672 - 3317(2023)09 - 0053 - 08
S275.6
A
10.13522/j.cnki.ggps.2023053
陶娟琴, 陶洪飛, 李巧, 等. 單翼迷宮式滴灌帶進出水口數、梯形流道齒數對抗堵塞性能的影響[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(9): 53-60.
TAO Juanqin, TAO Hongfei, LI Qiao, et al. Effects of the Number of Inlet and Outlet Ports and Trapezoidal Channel Teeth on Anti-clogging Performance of a Single-wing Labyrinth Drip Irrigation Belt[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 53-60.
2023-02-18
2023-05-05
2023-09-18
新疆維吾爾自治區重大科技專項項目(2022A02003-4);新疆農業大學研究生科研創新項目(XJAUGRI2022020)
陶娟琴(1997-),女。碩士研究生,主要從事節水新技術與新設備以及計算水力學研究。E-mail: 2665501228@qq.com
陶洪飛(1987-),男。副教授,博士生導師,主要從事節水新技術與新設備以及計算水力學研究。E-mail: 304276290@qq.com
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責任編輯:白芳芳